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省エネルギークリーンエアシステム
一新形オイルフリースクリュー圧縮機の応用-Energy
Saving
TYPe
CIean
Air
System
-Application
of
NewTYPe
OilFree
Screw
Compressor一
産業のあらゆる分野で利絹されている空気圧縮機に対して,近年,省エネルギー でしかも油の音昆じらないi音浄な空気への要求が高まっている｡これは,エネルギⅦ コストの高騰による運転費の増大,圧縮空気中の油分によるプロセス機器のトラブ ルなどを解消するため,及び油の子昆じらない空気の用途が多くなっているためである｡ これらの要求に応じるため,効率の向上を図った新形オイルフリースクリユー圧 縮機を主体とし,負荷変動に対L効率の良い自動運転制御を行なうマイクロコンピ ュータ制御盤と圧縮機の廃熱を利用した省エネルギーーードライヤとを組み合わせた, 省エネルギークリーンエアシステムが開発された｡ここでは,このシステムの概要 と特長及び応用例について述べる｡ u
緒
言 動力用,計装相,各種プラント用など,あらゆる産業に使 開されている空気圧縮機は,近年,人件費その他経常の高騰 による保勺二点検費の増大や,振動,騒音,油i煽れなどに対 する環ゴ尭規制が王鼓しくなるに仰い,1万m3/h以下の中小容量 機では,往復動形から保守点検の同期が昆〈,振動,騒二拝も ′トさい凶転形へ,油潤滑式から無給油式へ移行している｡中 小容量機の無給油式凶転形圧縮機の代表的なものとLて,オ イルフリースクリュー圧縮機がある｡オイルフリ【スクリュー圧縮機は,その機構から(1)小形･軽量である｡(2)振動,騒
音が小さい｡(3)保守点検が容易で,Lかもその同期が良い｡
などの特長に加え,油のi■比じらなし-i古浄な空気が得られるこ とから,近年,その需要は急速に伸びている｡ 【一方,近年のエネルギーコストの高騰から､省エネルギ【 の要求が高まっているが,空気圧縮機でも効率の向_Lを阿る など,椎々の省エネルギー化に対する努力がなされている｡ しかし,工場の設備として考えた場合には,圧縮機だけによ る省エネルギーにとどまらず,付属機器をも含めたエアシス テムとしての省エネルギーを図る必要がある｡ 二のような動向に対して,全員二桁及び部分負荷での効率rrり 上を匡Ⅰった新形オイルフり【スクリューJ主縮機(以下,SDS 圧縮機と称する｡)の開発と合わせ,最近,発達の著Lし､マイ クロコンピュータを採用し,圧縮機の効率的な運転制御を目 的としたマイクロコンピュータ制御怒と,圧縮機の廃熱を利 用した脱湿機(以下,省エネドライヤと称する｡)とを組み合わ せた省エネルギークリMンエアシステムを完成した｡以1∴ このシステムの概要,特長及びその応用例について述べる｡ 臣lシステムの概要と特長
2.1全体構成 省エネルギークリ"ンエアシステムは,図1に示すように SDS圧縮機,マイクロコンビュⅥタ;別御湧窯,省エネドライヤ によって構成されている(､マイクロコンピュータ利子卸磐は, 子i数制御機能やスケジュール運転機能を備えており,青身数台 *H_立;ら望作所土浦丁場 **日立製作怖機械研究所 ｢￣￣ l S 機 S｡朋 +_刑部一郎*
沖田純二*
田村守男*大泉純一**
台数制御信号ライン マイクロ コンピュ ータ盤 (規) 省エネ ドライヤ マイクロ コンピュ ータ盤 (子1) SDS 圧縮機0+
圧力スイッチ 11-■-｢ マイクロ コンピュ ータ鴛 (子2) DS細 S 圧 Jcん才γ∂ G封a占む J址ナリJO丘ょね 〟orJo rαm祉rα Jl川'メcん∫0∼ヱ比例∼ アダプタ リレー 盤 (子3) ｢1､ l-､ 従来機 圧力スイッチ 省エネ ドライヤ-=一一0--｢
ライン圧力センサ 注:SDS圧縮機(新形オイルフリースクリュー圧縮機) 省エネドライヤ(圧相磯の廃熱を利用した脱湿機) 図l 省エネルギークリーンエアシステムの構成＼11､
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圧力スイッチ SDS圧縮機,マ イクロコンピュータ制御盤及びドライヤで構成される｡台数制御は親マイクロ コンピュータで子マイクロコンピュータ盤(最大3台まで)を制御する｡また従 来機のリレー盤は,アダプタを取り付けることによって台数制御が可能である｡のSDS圧縮機を運転制御し,省エネルギ【をl窒lってし､る｡な お,マイクロコンピュータ制御盤は,親マイクロコンピュー タ盤と子マイクロコンピュータ盤の2稚類があり,台数制御 機能は親マイクロコンビュ【タ磐だけもっている｡子マイク ロコンピュータ盤は,親マイクロコンピュータ盤からの信号 によって制御され,従来のリレー磐はアダプタを介して制御 される｡また,省エネドライヤは,SDS圧縮機の吐出し高iは 配管から高温空気を取りけ=ノ,この高温空気によって牧石別 の再生加熱を行ない,大幅な省エネルギーを図っている｡ 2.2 SDS圧縮機 SDS圧縮機は,図2にホすように,圧縮機本体,増速機, 主電動機,エアクーラ,l牧人フィルタ,給油装置,制御髄など を一一つの共通ベース上に設置し,図3に示すように,全体を 防音カバーで預った完全バツケ【ジとなっているr〕 図4にSDS圧縮機の適用容量範岡をホす｡ SDS圧縮機は多くの特長を備えているが,ここでは省エネ アフタークーラ
感動
＼ 低圧段圧縮機 高圧段圧縮機亀
コモンベース 頂モ
給油装置 増速機 インタークーラ 図2 SDS圧縮機全体構成 圧縮機,増速機,主電動機,エアクーラ, 給油装置,制御盤などから成り,これらを一つの共通ベース上に載せパッケー ジ化Lている｡ .･ノm＼ 甘藷那￣叫 I■■竜
一喝′
図3 SDS圧縮機全体外観図 各機器を一つの共通ベース上に載せ, 全体を匡万苦カバーで覆った完全パッケージタイプである｡ 10 8.8 6 4 (芸0＼如ヱ只世へ-も)只世+ヨ廿 SDSシリーズ DS 10 SDS-21 SDS 31 SDS-42/
SDS53 DS -1 SDS 2 SDS 3 SDS-4 SDS-5 輩 孟母 (＼+ 輩 鎖 :叶 0･8 1 2 3 4 5 6 (×10二i) 吸入空気量(m3/h) 図4 SDS圧縮機の適用容量範囲 吸入空気量は925∼6.000m3州,吐 出し圧力はゲージ圧力】.0∼8.8kg/cm2まで適用できる｡♂吐出し
圧縮終わり 圧縮始め『
馳♂
吸込完了 図5 圧縮過程図 圧縮要は一対のかみ合ったロータ歯満と.それを覆う ケーシングによって形成される空間を利用Lている｡ ルキーに関係する動力の低i成に焦点を絞って述べる｡ スクリュー圧縮機の圧縮室は,図5に示すように一対のか み合ったロータの歯満と,それを穫うケ【シングによって形 成される空間を利用している｡このため,ロータ同士及びロ ータ,ケーシング間の隙間からの漏れが大きく性能に影響す る｡Lたがって,ロータの加工精度向上は,性能向上の有効 な手段である｡SDS圧縮機では,日立製作所の歯車加工技術 を生かし,従来の総形カッタによるロータ加工法からホブに よる加工法に改良し,ロ"タの加工精度を向上させた｡これ により,ロータ問の隙間が′トさくでき,全負荷時の効率を1∼ 2%向上させた｡ オイルフリースクリュー圧縮機は,一般に,使用空気量の 変化に対し,吸人弁と放風弁によるON-OFF(2ステップ)制 御で容量調軽している｡これは,ONすなわち全負荷時は,図 6で,q及人命を全開,放風弁を全閉とし,圧縮空気はライン側に流し,OFFすなわち無負荷時は,吸入弁を閉じ(徴開), 放風弁を全開とし,圧縮空気は大気へ放出する制御方式であ る｡この制御方式で,無負荷時の動力をイ氏滅するには,吸入 弁の開口面栢を小さくすればよい｡しかし,このとき吸入圧 力が下がり,圧力比が大きくなるため,吐出し空気温度が高 くなり,ロ∽タが熟膨脹によって接触する危険がある｡SDS 圧縮機では,ロータ温度を実測し,図7に示すように,各運 転状態での吐出し空気托た度とロー1タ托.L度との関係を解明した｡ この結果,無負荷時のワ一夕温度が,全員荷時と同じとなる ときのロ及入弁の開口面相を求めることか可能となった｡これ 圧縮棟 PS 圧力 スイッチ 圧力油 オイルタンクヘ 吸入 放凰
＼牧､
放風弁 四方口電磁弁 吸入弁 図6 0N-OFF制御の系統図 くなるので, 井関(徴開), くなると, 140 0 0 (U+軸蛸慣僻仏-□ 0 6 逆止弁 吐出L 使用風量が少なくなると吐出L圧力が高 二れを圧力スイッチで検出L四方口電磁弁が切り換えられ,吸入 放風弁全開となり無負荷(アンロード)運転となる｡借用風量が多 の逆動作で全負荷(オンロード)運転となる｡ m C 叫弧C .〇〇〓弧 13 度= ･温 度 件数 し 温 転 山山 人 回 吐 吸 条 吸入側 / ′ / / / ′タ諸悪時
⑳亡_
圧縮機ロータ 無負荷時 計算値 吐出し側 注:○は無負荷時実測値 ◎ は全負荷時実測値 図7 圧縮機ロータ表面温度 空気温度条件が同じであれば,無負荷時 のロータ表面温度は全負荷時よりもかなり低い｡実測値と計算値はほぼ一致L ている｡ 省エネルギークリーンエアシステム 405 により,吸入弁の開【コ面積を′トさくとり,無負荷時の動力を 3%(電動機入力比)低i成した｡ 2.3 マイクロコンピュータ制御盤 マイクロコンビュ【タ制御盤は,SDS圧縮機の専用制御盤 として開発したもので,時々刻々変化する空気の必要量に合 わせて,圧縮機をいかに効率よく運転制御するかを目的に設 計されたものである｡ 制御システムの概要を図8に示す｡本制御システムは,大 別して圧縮機の自動発停を行なったり,各部の圧力やi上講+空をセンサによって検出し,現在値や故障項目をディジタル表示
する運転及び設備診断機能,タイマで圧縮機の自動発停を行 なうスケンユー1ル運転機能,￣舷びに空気の博聞読に応じて日動 的に最適な運転台数及びアンロード機を決めて,吐出し圧力 を一定に保つ台数制御機能という三つの機能をもってし､る｡ 本制御盤のハ【ドゥェアは,図9に示すように論理演算, 制御,記憶をつかさどるCPU(中央処理装置)部,CPUと他機 器との入出力をつかさどるインタフェース部,制御盤而操作, 表示器具の取り付いたコンソールパネル,その他の外部機器 の4大部分から構成されている｡CPU部はAI､DI,DO(何 周下略語説11月参照)のⅠ./O一対係も内職Lて1ポr-ド化し.また インタフェーース部も,センサ凶路,入出力恒柑各をモジュール 化,標特化して1ボード化している.っ ここでマイクロコンビュ】タ制御盤の三つの機能のうち, 主な二つの機能につし､て述べる｡(1)スケジュール運転機能
24時間タイマの才采用によって圧縮機の自動発停ができるた め､早朝の運転開始や深夜の停止には非常に便利である｡ま 電動機 圧力油 ｢￣ l LCD表示 ●---｢ SV L 他横マイクロ コンピュータ 乃箕 オイルタンクヘ 吸入 放凰 四方口電磁弁 ￣￣1 l +._.__､取
吸入弁 GP 油ポンプ マイクロコンピュータ制御装置 設 備 診 断 自 動 運 転 スケジュール運転 台 数 制 御 容 量 制 御 ￣￣￣｢ 圧 緬 機 電動機 PS センサ 空気温度 空気圧力 油 温 油 圧 水 温 タ イ マ 圧力センサ 吐出し 放凰清書器 放風弁 注:略語説明 LCD(液晶表示) 図8 マイクロコンピュータ制御盤の制御システム マイクロコン ピュータ制御盤は,運転及び設備診断横能,スケジュール運転機能並びに台数 制御機首巨の3大機能をもっている｡CPU(HMCS6800)
『
+
P U A l D l D O｢
+CDドライバ R O M R A M』注:略語説明
CPU(中央処玉里装置) MPU(演算及び制御部) Al(アナログ入力) Dl(ディジタル入力) インタフェース レベル変摸 波 形 整 形 絶 縁 フ ィ ル タ 外部機器 セ ン リ レ ー 部 他機マイク コンソールパネル タ イ マ DO(ディジタル出力)ROM(Read Only Memory)
RAM(Ra=dom Access Memory)
フ ン フ LCD表示器
出
図9 マイクロコンピュータ制御盤ハードウェア構成図 cpu執 インタフェース部,コンソールパネル及び外部機器の4大部分から構成されてい る｡CPU部,インタフェース部はlボード化Lている｡プログラム容量は5′500 ステップである｡ た,Ni-Cd電池でバックアップしてし､るたれ 電掘なしでも タイマは200時間まで動作を続け､スケジュール運転の機能を 保持する｡￣更に,タイマ本体は直流駆動であるため,電順の 交流周波数は影竿なく,50Hz,60Hzどちらの周波数でも正常 に動作する｡タイマの設定時間は最小15分まで可能である｡ (2)台数削子卸機能 千言数制御の基本的な機能は,複数台の圧縮機を使用空気毒 に応じて必要最小限の運転台数に制御し,省エネルギーを図 ることである｡ 本マイクロコンピュータ制御盤は,この台数制御機能の中に多くの特長を備えている｡その特長は,(1)運転累横時間の
舷も少ない圧縮=幾から起動し,運転累帖時間の放も多い托 縮機から停止させ,運転時間の二､1三均化を図る運転方式,(2)1 台だけ容量別御を行なわせ,他は全負荷運転か停止とする単機容量制御,(3)起動時及び停止時で,図川に示すようにライ
ン圧力が定常時に達すると同時に,制御や診断を開始するよう制御待ち時間を適宜に自動設定する制御方式,(4)重故障の
生じた圧縮機は,台数制御から外す飛越L運転,(5)無負荷状
態が長〈続くと停止させる無負荷制限,(6)起動頻度の制限と
冷却のため,起動後一定時間は停止させない停止制限,(7)マ
イクロコンピュータで乱数を発生させ,先発機が特定の圧縮 機に偏らない先発機自動選択,(8)高精度センサを採用し図11 に示すように,各圧力設定値間の間隔を′J､さくすることによつて平均運転圧力を低減する方式,(9)図12に示すように,全
負荷/無負荷の周期に応じて,無負荷運転開始の圧力設定値を 自動調整する容量制御幅自動調整方式などである｡二れらに よって,大幅な動力の低減と信栢惟の向上を図っている｡ 2.4 省エネドライヤ 本ドライヤは,吸着式ドライヤであり,図13に示すように, 吸着剤が充唄された睨湿筒と,加熱再生に使用した高温空気 をi令却し,ドレ【ンを分離する冷却器,加熱再生に利用した rR 出 入 ＼-1卜 只世人†小 (ライン圧力の立上り時間が長いとき) マイクロコンピュータ盤による制御 待ち時間 固定方式による制御待ち時間 制御不安定 領域 ll
起動 時間 l (ライン圧力の立上り時間が短いと き) マイクロコンピュータ磐 制御遅れ領域 による制御待ち時間 固定方式による制御待ち時間 起動 時間 図10 制御待ち時間の自動設定による制御動作の安定化 固定式 であった制御待ち時間を自動設定方式とし,実際の必要制御待ち時間に対する 制御遅れ領土或や制御不安定領土或が生じないようにLた｡ 安全弁動作圧力 Jノぐ, J〉5 ′ノl /十ミ JノJ ?-′1 平均運転圧力 +ノノ 保証圧力 (従来)〔警警諾芸圧力スイッチに〕
fノh:緊急アンロード圧力 √):i P::通常停止圧力 r)二 fJ-】:通常アンロード圧力 f)】 P6 JJl 〃1 P:う JJ2 f)l 安全弁動作圧力 平均運転圧力 +P 保証圧力 (マイクロコンピュータ盤)〔雪誓芸芸カセンサ1個に〕
通常オンロード圧力 通常起動圧力 緊急起動圧力 図Il高精度センサによる平均運転圧力の低三成 高精度センサによ つて各設定圧力の幅を小さくすることが可能であり,保証圧力と平均運転圧力 との差を小さくできる｡すなわち,平均運転圧力を下げることができる｡これ によって,動力費と消費空気量の低減が図れる｡(従来制御) fミ 世 j鹿 狩り 全負荷 無負荷 (マイクロコンピュータ制御) 無負荷開始圧力 制御圧力幅
￣￣｢￣
全負荷開始圧力 時間 図】2 容量制御幅の自動調整による平均運転圧力の低減 容量制 御の周期によって制御圧力幅が自動調整される｡周期が大きいときは圧力幅が 小さくなり,平均運転圧力が下がる｡これによって,動力費と消費空気量を低 減できる｡¶機
蝦別項伸 注 アフタークーラ ドレーン分離器 湿り空気 エジェクタ ト･--器 去 冷 ｢●-■ ドレーン分離器 自動弁 ■1 (再生中) 脱 (脱湿中) ニEヨ /上山 (脱湿中) 筒 (脱湿中) (脱湿中), l +___ 乾燥空気 __J 乾燥空気 湿り空気 高温空気 図13 省エネドライヤ系統区l 5層の脱湿筒,冷却器,エジェクタ,自 動弁などから構成している｡q及着剤の加熱再生には圧縮機の廃熱を利用し.動 力を全く不要としている｡ 空気を100%回収するためのエジュクタ,脱湿と再生の切換え を行なう自動弁などによって構成されている｡脱湿筒は5層式となっており,4斥弓が脱ぎ騒作用,1層が加
熱再生作用を行なっている｡この5層を一定周期で切り換え
乾燥空気を連糸加勺に供給している｡ また,吸着剤の再生には電熱や茶気などを全く使用せず, 空気を圧縮することによって発生する圧縮摺典を利用しており 再生に使用した空気は,エジュクタによって装置入口側に100 %回収している｡したがって,空気の損失は全くなく,また, n及着剤再生の動力も全く不要となった最も新しし､タイプの省 エネルギー形ドライヤである｡ 省エネルギークリーンエアシステム 407 田 省エネルギークリーンエアシステムの応用 本システムを,以下の適用条件に応用Lた場合の省エネル ギー効果は,区114に示すように1年間で2,000万円である｡そ の詳細について以下に述べる｡ 3.1 適用条件(1)システム構成
(a)SDS圧縮機:300kW(全員荷入力) 2子了 (b)マイクロコンピュータ;別御盤:親機1≠i,子機1千丁 (C)省エネドライヤ:1子音(2)運転条件
(a)iF土勺空気使用一芸:16h/日90%,6h/日45%,2h/日0 %(100%は600kW相当空気使用量) (b)運転時聞:330日/年(8,000h/年) (C)電力料令:20円/kWh 3.2 省エネルギー効果(1)SDS圧縮機による省エネルギ【効果
全員荷時での性能rrり上と,無負荷時での動力†氏i成によノ1て, 図15に示す省エネルギ【効果があり,年間200万円の節約がで きる｡_J(2)マイクロコンビュMタ制御盤による省エネルギ【効果
(a) スケンユ【ル運転による省エネルギ【効果 一般に工場動力i悦に庄;縮機をイ針目する場†㌢,休みH-､帥りは空 気をほとんど使開しない｡スケジュール運転によって､休 み時間には無負荷運転せず,停止することが可能である.ノ これにより,図16にホすような省エネルギー効果があり, 年間150万円の節約かできる｡､ (b)子i数制御運転による省エネルギー効果 本連虹条件では,1日のうち6時間は2子丁の圧縮機で45% 逆転されるが,汽数制御運転では表1に示すように2f￣iの うち1Tとiは停止二し,他の1台は90%谷宗二で運転される.二.し たがって,図17に示すように1千丁分の無負荷動力を削減で き,年間220万円グ)電力費を節約できる｡J SDS圧縮機 200万円/年 省エネドライヤ 1､280万円/年 省エネルギー効果 2,000万円/年 / マイクロ ンピュータ 制御盤 520万円/年 スケジュール遷幸云 (内数:150万円/年) 台数制御運転 (内数:220万円/年) 容量制御幅減少 (内敷:150万円/年) 注:圧縮機300kW 2台 平均空気使用量 70% 運転時問 8,000【1/年 電力料金 20円/kWh 図川 省エネルギー効果(応用例) 300kWクラスの圧縮機2台に本シ ステムを応用した場合,SDS圧縮機の効率向上,マイクロコンピュータ制御盤 による効率的な運転制御,省エネドライヤの庄相磯廃熱利用によって2.000万 円/年の省エネルギー効果がある｡100 80
